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KR101192816B1 - Ｌｅｄ 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

Ｌｅｄ 패키지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

베이스마운트 및 상기 베이스마운트 상에 실장되는 LED 소자를 포함하는 LED 패키지가 개시되며, 여기에서, LED 소자는, 상기 베이스마운트 상에 접합되되, 그 접합 위치의 반대편에 n형 전극과 p형 전극을 갖는 LED칩과, 도전성 패턴이 일면에 형성되고, 상기 LED칩과의 플립칩 본딩에 의해 상기 도전성 패턴이 상기 n형 전극 및 상기 p형 전극과 전기 접속되는 투광성의 서브마운트를 포함한다.

Description

ＬＥＤ 패키지 및 그 제조방법{LED PACKAGE AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 LED(Light Emitting Diode) 패키지에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 생산성의 향상과 더불어, LED 패키지의 성능을 결정하는 여러 특성들, 즉, 방열 특성, 광 방출 특성 등을 좋게 만족시킬 수 있는 LED 패키지에 관한 것이다.
근래 들어, LED(Light Emitting Diode)는 디스플레이 장치 또는 그것의 백라이트 모듈, 또는, 실내외 조명기구 등 다양한 분야에서 널리 이용되고 있다. LED(Light Emitting Diode)는, 기본적으로 반도체들의 접합으로 이루어진 고체 발광소자를 의미한다. LED에 전압을 인가하면, 전자와 정공의 결합으로 반도체의 밴드갭에 해당하는 에너지를 빛의 형태로 발한다. 이러한 LED는 저전류 요건에서의 고출력 특성, 빠른 응답성, 긴 수명, 단단한 패키지 구조 등 많은 이점을 갖는다.
LED 패키지는 패키지 몸체 내에 LED칩을 내장하여 이루어진다. 패키지 몸체는, LED칩으로부터 발생한 광을 외부로 내보낼 수 있도록, 적어도 부분적으로 투광성을 갖는다. 일반적으로는, 비투광성 리플렉터(또는, 하우징)의 캐비티 바닥에 LED칩을 실장한다.
통상, LED 패키지는, 예를 들면, 솔더 페이스트와 같은 도전성 접착물질에 의해 PCB(Printed Circuit Board)와 같은 기판에 실장된다. 종래의 LED 패키지는 LED칩에 전압을 인가하기 위한 리드단자들을 구비하며, 그 리드단자들은 도전성 접착물질에 의해 기판에 있는 전기 회로에 전기적으로 연결된다. 한편, LED칩에 발광 동작하는 동안에 열이 발생하는데, 이 열은 LED 패키지의 성능을 떨어뜨리고 LED 패키지의 수명을 저하시킬 수 있다. 특히, 고출력 LED 패키지는, 높은 전력이 인가되므로, 열에 의한 성능 및 수명의 저하가 더 심각하다. 또한, LED칩의 전극들과 리드단자들을 전기적으로 연결하는 와이어본딩 공정이 복잡하며, 특히, 하나의 LED 패키지 내에 여러개의 LED칩이 내장되는 경우에는 와이어본딩 공정에 의해 생산성이 크게 떨어진다. 이는 복수의 LED칩들을 집적화하여 직렬 또는 병렬로 연결하는데 있어서도 큰 장애가 되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 생산성의 향상과 더불어, LED 패키지의 성능을 결정하는 여러 특성들, 즉, 방열 특성, 광 방출 특성, 및/또는 집적화 등을 좋게 만족시킬 수 있는 LED 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따라, 베이스마운트 및 상기 베이스마운트 상에 실장되는 LED 소자를 포함하는 LED 패키지가 제공되며, 상기 LED 소자는, 상기 베이스마운트 상에 접합되되, 그 접합 위치의 반대편에 n형 전극과 p형 전극을 갖는 LED칩과, 도전성 패턴이 일면에 형성되고, 상기 LED칩과의 플립칩 본딩에 의해 상기 도전성 패턴이 상기 n형 전극 및 상기 p형 전극과 전기 접속되는 투광성의 서브마운트를 포함한다.
바람직하게는, 상기 도전성 패턴은 투명의 금속 또는 금속 산화물을 포함하며, 더 바람직하게는, 상기 도전성 패턴은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 서브마운트는 상기 도전성 패턴이 형성된 면의 반대편 면에 상기 도전성 패턴과 연결된 전극 패드들을 포함한다.
바람직하게는, 상기 LED 소자는 상기 서브마운트에 플립칩 본딩되는 복수의 LED칩들을 포함하되, 상기 복수의 LED칩들은 상기 도전성 패턴에 의해 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
바람직하게는, 상기 베이스마운트는 금속 또는 세라믹 재질의 방열기판일 수 있다. 바람직하게는, 리플렉터가 LED 소자의 주변을 둘러싸는 캐비티를 구비한 채 상기 베이스마운트 상에 접합되도록 설치되며, 보호부재가 상기 캐비티를 덮도록 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 보호부재는 상기 복수의 LED칩 각각에 대응되는 복수의 렌즈형상부를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 서브마운트는 유리 또는 쿼츠(Quartz) 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라 LED 패키지의 제조방법이 제공되며, 이 제조방법은, (a) 일면에 도전성 패턴이 형성된 투광성의 서브마운트를 준비하는 단계와, (b) 상기 서브마운트 상에 하나 이상의 LED칩을 플립칩 본딩하여, 서브마운트를 LED칩 상면에 갖는 LED 소자를 제작하는 단계와, (c) 상기 LED 소자의 저면을 베이스마운트 상에 접합하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 (b) 단계는 상기 플립칩 본딩을 위한 열원으로 레이저를 이용한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 와이어본딩의 공정수를 줄이거나 없애, LED 패키지의 생산성을 향상시킬 수 있고, LED 패키지의 성능을 결정하는 여러 특성들, 즉, 방열 특성과 광 방출 특성을 모두 좋게 개선할 수 있고, 도전성 패턴을 구비한 투광성 서브마운트에 복수의 LED칩을 집적화하므로, 집적화 특성이 향상되는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 소자를 도시한 단면도이.
도 2는 도 1에 도시된 LED 소자가 적용된 LED 패키지를 도시한 단면도.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 LED 패키지를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면들.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 패키지들을 설명하기 위한 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 소자를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 LED 소자가 적용된 LED 패키지를 도시한 단면도이며, 도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 LED 패키지를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면들이다. 도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 패키지들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 소자(10)는 서브마운트(110)와, 상기 서브마운트(110)에 플립칩 본딩되는 복수의 LED칩(120)을 포함한다. 또한, 상기 LED 소자(10)는, 상기 플립칩 본딩을 위한 접합부재로서, 솔더 볼(solder ball)과 같은 도전성 범프(130)들을 포함한다.
자세히 도시하지는 않았지만, 상기 LED칩(120)은 p형 반도체층과 n형 반도체층, 그리고, p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에 형성되어 전자와 정공의 재결합에 의해 광을 발생시키는 활성층을 포함한다. 또한, 상기 LED칩(120)은 p형 전극(121)과 n형 전극(122)을 포함하며, 상기 p형 전극(121)은 p형 반도체층 측에 위치하고, 상기 n형 전극(122)은 n형 반도체층 측에 위치한다. 상기 LED칩(120)은 상기 p형 전극(121)과 상기 n형 전극(122)의 반대편 면, 즉, 하부면에 사파이어 기판과 같은 반도체 성장기판이 존재할 수 있다. 이하 설명되는 바와 같이 LED칩(120)의 하부가 베이스마운트 상에 접합되는데, 베이스마운트가 도전성인 경우, 그 LED칩(120)과 베이스마운트 사이가 절연되는 것이 좋으므로, 사파이어 기판을 기반으로 하는 LED칩이 본 발명에 더 바람직할 수 있다.
상기 서브마운트(110)는, 유리(glass) 또는 쿼츠(quartz) 재료로 이루어지며, 저면에 형성된 도전성 패턴(112)과, 상면에 형성된 제1 및 제2 전극 패드(114a, 114b)를 포함한다. 자세히 도시하지는 않았지만, 상기 도전성 패턴(112)의 양단은 상기 서브마운트(110)의 측면을 거쳐서 또는 상기 서브마운트(110)를 관통하여 상기 제1 전극 패드(114a)와 상기 제2 전극 패드(114b)에 각각 연결된다. 상기 도전성 패턴(112)은, 상기 LED칩(120)으로부터 나온 광의 경로를 차단하지 않도록, 투명의 도전성 재료, 특히, 투명 금속 또는 투명 금속 산화물로 형성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 전기적 특성과 투명성이 좋은 ITO(Indium Tin Oxide)가 도전성 패턴(112)의 재료로 이용된다. 도시하지는 않았지만, 상기 제1 및 제2 전극 패드(114a, 114b)는 예를 들면, 본딩와이어와 같은 배선 수단에 의해 외부의 전원과 전기적으로 연결된다. 본 실시예에서, 상기 도전성 패턴(112)은 복수의 LED칩(120)들을 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다. 이를 위해, 상기 도전성 패턴(112)은 LED칩(120)에 대응되게 분할되어 있을 수 있다.
선호되는 실시예에 따라, 상기 제1 및 제2 전극 패드(114a, 114b)는, 상기 도전성 패턴(112)이 있는 면의 반대편 면, 즉, 서브마운트(110)의 상면에 위치하지만, 상기 제1 및 제2 전극 패드(114a, 114b)를 상기 도전성 패턴(112)이 존재하는 면, 즉, 서브마운트(110)의 저면에 위치시키는 것도 고려될 수 있다.
범프(130)들, 즉, 솔더 볼들은, 서브마운트(110)와 LED칩(120) 사이에서 p형 전극(121)과 도전성 패턴(112)의 사이, 그리고, n형 전극(122)과 도전성 패턴(112) 사이를 연결한다. 범프(130)의 재료로는 Au:Sn 또는 Ag:Sn이 이용될 수 있다. 이때, 상기 플립칩 공정은 생산성을 좋게 하도록 레이저를 이용하는 솔더 볼 용융 방식이 선호된다.
도 2를 참조하면, LED 패키지(1)는 위에서 설명된 LED소자(10)와, 상기 LED 소자(10)가 실장되는 베이스마운트(20)를 포함한다. 상기 베이스마운트(20)는, 상기 LED 소자(10)로부터 발생한 열을 외부로 쉽게 방출하도록 열전도성이 좋은 금속 또는 세라믹 재질의 방열기판이 이용되며, 특히, Cu 기판, Al 기판 또는 Si 기판이 이용되는 것이 좋다.
상기 LED 소자(10)는 리플로우 솔더링 공정에 의해 상기 LED칩(120)들의 저면이 상기 베이스마운트(20) 상에 접합됨으로써 상기 베이스마운트(20) 상에 실장된다. 위와 같은 구조에 의해, 복수의 LED칩(120)들로부터 방출된 광은 그 위에 존재하는 투광성 서브마운트(110)를 통해 위쪽으로 방출된다.
상기 베이스마운트(20) 상에는 리플렉터(30)가 접합되며, 상기 리플렉터(30)는 상기 LED 소자(10)의 주변을 전체적으로 둘러싸는 캐비티(32)를 포함한다. 상기 캐비티(32)는 경사진 내벽면에 의해 하협상광의 단면 형상을 가지며, 상기 내벽면에는 반사층(34)이 예를 들면 코팅에 의해 형성되어 있다. 또한, 상기 LED 패키지(1)는 적어도 상기 캐비티(32)의 상부를 덮어 캐비티 내에 있는 LED 소자(10)를 보호하는 투광성의 보호부재(40)를 포함한다. 상기 보호보재(40)는 투광성을 갖는 수지, 유리 또는 쿼츠 등이 이용될 수 있다.
본 실시예에서는 상기 보호부재(40)가 리플렉터(30)의 상부면에 결합되는 투광성의 판구조로 이루어지지만, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 보호부재로는, 상기 캐비티(32) 내에 충전되어 형성된 에폭시, 실리콘 또는 다른 수지 재질의 봉지재(40A)가 이용될 수 있다. 또한, 보호부재는, 도 6에 도시된 바와 같이, 해당 LED칩(120)들에 대응되게 해당 LED칩(120)들의 직상에 위치하는 복수의 렌즈형상부(402)들을 포함하는 렌즈부재(40B)를 포함할 수 있다. 더 나아가, 상기 렌즈부재(40B) 아래의 캐비티 내부에는 봉지재(40A)가 더 형성될 수도 있다.
한편, 도 5 및 도 6에 도시된 봉지재(40A)에는 LED칩(120)으로부터 나온 광의 파장을 변환하는 형광체(404)가 포함되어 있다. 상기 형광체(404)가 존재하는 위치는 봉지재 내로 제한되어서는 아니 될 것이며, 예컨대, 리플렉터(30)의 캐비티 내벽면, 렌즈부재(40B)의 내부 또는 외부, 더 나아가, LED칩(120) 또는 서브마운트(110) 상에 존재할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 투광성의 서브마운트(110)는 형광체의 균일한 코팅이 가능한 형상이고 하나 이상의 LED칩(120)으로부터 나온 광의 거의 대부분이 통과한다는 점에서 형광체의 적용에 유리하다.
이제 도 3 및 도 4를 참조로 하여 본 발명에 따른 LED 패키지의 제조방법을 설명한다.
도 3을 참조하면, 일면에 도전성 패턴(112)이 투광성 서브마운트(110)가 먼저 제작된다. 다음, 솔더 볼 또는 도전성 범프(130)들이 상기 서브마운트(110)의 도전성 패턴(112)과 LED칩(120)의 전극들(121, 122) 사이에 적절하게 있도록 배치하고, 레이저, 특히, Nd-YAG 레이저를 이용하여 상기 솔더 볼을 용융함으로써, LED칩(120)들을 서브마운트(110) 상에 플립 본딩한다. 이에 의해, LED 소자(10)가 제작된다.
도 4를 참조하면, 접착층에 의한 접합 공정에 의해 리플렉터(30)가 접합되어 있는 베이스마운트(20) 상에 상기 LED 소자(10)가 실장된다. 상기 리플렉터(30)는 펀칭 가공(또는 프레스 가공)에 의해 미리 캐비티(32)를 갖도록 형성되고, 그 다음, 베이스마운트(20) 상에 접합된다.
상기 LED 소자(10)는 도 3에 도시된 위치로부터 반대 방향으로 뒤집어져, 서브마운트(110)가 상측을 향하고, LED칩(120)들은 하측을 향한다. 다음, 상기 LED칩(120)의 저면과 상기 베이스마운트(20) 사이에 솔더 페이스트가 존재하는 상태로, 상기 LED칩(120)의 저면이 상기 베이스마운트(20)에 접합된다.
다음, 상기 캐비티(32)를 덮는 보호부재를 형성하면, LED 패키지의 제작이 완료된다. 앞선 공정들 전에 또는 앞선 공정들 중에, 제1 및 제2 전극 패드(114a, 114b)와 외부 전원을 연결할 수 있는 수단(예컨대, 리드단자)을 별도로 마련하거나, 또는, 제1 및 제2 전극 패드(114a, 114b)에 본딩와이어를 연결하고, 그 본딩와이어를 외부로 직접 인출하거나 또는 리드단자를 통해 본딩와이어를 외부로 인출하는 공정이 추가된다.
10: LED 소자 110: 서브마운트
121: p형 전극 122: n형 전극
120: LED칩 130: 범프(솔더 볼)
20: 베이스마운트 30: 리플렉터

Claims (12)

  1. 베이스마운트 및 상기 베이스마운트 상에 실장되는 LED 소자를 포함하는 LED 패키지로서, 상기 LED 소자는,
    상기 베이스마운트 상에 접합되되, 그 접합 위치의 반대편에 n형 전극과 p형 전극을 갖는 LED칩과;
    도전성 패턴이 일면에 형성되고, 상기 LED칩과의 플립칩 본딩에 의해 상기 도전성 패턴이 상기 n형 전극 및 상기 p형 전극과 전기 접속되는 투광성의 서브마운트를 포함하며,
    상기 서브마운트는 상기 도전성 패턴이 형성된 면의 반대편 면에 상기 도전성 패턴과 연결된 전극 패드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 도전성 패턴은 투명의 금속 또는 금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 도전성 패턴은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 LED 소자는 상기 서브마운트에 플립칩 본딩되는 복수의 LED칩들을 포함하되, 상기 복수의 LED칩들은 상기 도전성 패턴에 의해 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 베이스마운트는 금속 또는 세라믹 재질의 방열기판인 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 LED 소자의 주변을 둘러싸는 캐비티를 구비한 채 상기 베이스마운트 상에 접합되는 리플렉터와, 상기 캐비티를 덮는 투광성 보호부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 LED 소자는 상기 서브마운트에 플립칩 본딩되는 복수의 LED칩을 포함하고, 상기 보호부재는 상기 복수의 LED칩 각각에 대응되는 복수의 렌즈형상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 서브마운트는 유리 또는 쿼츠(Quartz) 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  10. LED 패키지의 제조방법으로서,
    (a) 일면에 도전성 패턴이 형성된 투광성의 서브마운트를 준비하는 단계;
    (b) 상기 서브마운트 상에 하나 이상의 LED칩을 플립칩 본딩하여, 서브마운트를 LED칩 상면에 갖는 LED 소자를 제작하는 단계와;
    (c) 상기 LED 소자의 저면을 베이스마운트 상에 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 플립칩 본딩을 위한 열원으로 레이저를 이용하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지의 제조방법.
  12. 삭제
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